JP2007194048A - Ion-conducting binder, membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents

Ion-conducting binder, membrane-electrode assembly and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion-conducting binder which is economical, environment-friendly, superior in moldability, and oxidation stability; and to utilize it. <P>SOLUTION: The ion-conducting binder is used for a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane, and two gas diffusion electrodes jointed to the electrolyte membrane by sandwiching the membrane, and contains, as components, a polymer block (A) using an aromatic vinyl-based compound unit where α-carbon is quarternary carbon as a main repeating unit, and a flexible polymer block (B). In the ion-conducting binder, the polymer block (A) has a monovalent anion-conducting group, multivalent anion-conducting groups are bound to one another in a form cross-linking the polymer blocks (A) to one another, and/or the multivalent anion-conducting groups are bound to one another in a form cross-linking the aromatic vinyl-based compound units to one another in the polymer block (A). Its solution or suspension, this membrane-electrode assembly and this polymer electrolyte fuel cell are also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する膜−電極接合体に使用されるイオン伝導性バインダー、該イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体、及び該膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to an ion conductive binder used in a membrane-electrode assembly constituting a solid polymer fuel cell, a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder, and the membrane-electrode assembly. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

近年、地球環境にやさしく、クリーンな発電システムとして燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型等に分類される。これらのうち固体高分子型燃料電池は、低温作動性、小型軽量化などの観点から、電気自動車用電源やポータブル機器電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭用コージェネレーションシステムなどへの適用が検討されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as a clean power generation system that is friendly to the global environment. Fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte. Among these, polymer electrolyte fuel cells are applicable to electric vehicle power supplies, portable equipment power supplies, and household cogeneration systems that use both electricity and heat from the viewpoints of low-temperature operability, small size, and light weight. It is being considered.

固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、プロトン伝導性を有する電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるイオン伝導性バインダー(イオンは通常プロトン)とを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, on both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity, a catalyst layer containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder (ion is usually proton) made of a polymer electrolyte is formed. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Mebrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

また、このようなプロトン交換型燃料電池に対して、アニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用するアニオン交換型燃料電池(アニオンは通常水酸化物イオン)も検討されている。アニオン交換型燃料電池は、酸素極における過電圧が低減されることが知られており、エネルギー効率の向上が期待されている。また燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが電極間で電解質膜を透過してしまうメタノールクロスオーバーが低減されると言われている。この場合の固体高分子型燃料電池の構成はプロトン伝導性膜及びプロトン伝導性バインダーに代えてアニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用する以外、プロトン交換型燃料電池の場合と基本的には同様であり、電気エネルギー発生の機構としては、酸素極では酸素と水と電子とが反応して水酸化物イオンが生じ、水酸化物イオンはアニオン伝導性膜を通り燃料極で水素と反応して水と電子を生じ、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極に送られ、再び酸素及び水と反応して水酸化物イオンを生じる。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   For such a proton exchange type fuel cell, an anion exchange type fuel cell using an anion conductive membrane and an anion conductive binder (anion is usually a hydroxide ion) has been studied. An anion exchange fuel cell is known to reduce overvoltage at the oxygen electrode, and is expected to improve energy efficiency. In addition, when methanol is used as the fuel, it is said that methanol crossover in which methanol permeates the electrolyte membrane between the electrodes is reduced. The structure of the polymer electrolyte fuel cell in this case is basically the same as that of the proton exchange type fuel cell except that an anion conductive membrane and an anion conductive binder are used instead of the proton conductive membrane and the proton conductive binder. Similarly, the mechanism of electric energy generation is that oxygen, water, and electrons react at the oxygen electrode to generate hydroxide ions, and the hydroxide ions react with hydrogen at the fuel electrode through the anion conductive membrane. Thus, water and electrons are generated, and the electrons move through an external electric circuit formed by connecting both electrodes and are sent to the oxygen electrode, and react with oxygen and water again to generate hydroxide ions. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

プロトン交換型燃料電池においてもアニオン交換型燃料電池においても上記電極反応は、触媒層を反応サイトとして、触媒表面、燃料ガスもしくは酸化剤ガス、及び高分子電解質としてのイオン伝導性バインダーの3相界面で起こる。イオン伝導性バインダーは触媒を結着させ、触媒層から電解質膜へのプロトンもしくは水酸化物イオンの移動を媒介して該触媒の利用効率を高める目的で使用される。従って、イオン伝導性バインダーで被覆されていない触媒は、3相界面を形成することができないために反応に寄与することが難しく、また、高効率を得るには燃料ガスもしくは酸化剤ガスを拡散させるための細孔構造や、触媒の分散状態など、触媒層の緻密な構造設計が重要となる。また、ガス拡散電極部では、反応ガスに含まれる水や酸素極で生成する水により、触媒表面が被覆されてしまい、燃料ガスもしくは酸化剤ガスが触媒表面に接触できなくなり発電が停止する場合や、燃料ガスもしくは酸化剤ガスの供給または排出を妨げて電極反応が停止する場合がある。そのため、ガス拡散電極部の撥水性が要求される。   In the proton exchange type fuel cell and the anion exchange type fuel cell, the electrode reaction is carried out using the catalyst layer as a reaction site, the catalyst surface, the fuel gas or the oxidant gas, and the three-phase interface of the ion conductive binder as the polymer electrolyte. Happens at. The ion conductive binder is used for the purpose of binding the catalyst and increasing the utilization efficiency of the catalyst through the transfer of protons or hydroxide ions from the catalyst layer to the electrolyte membrane. Therefore, it is difficult for a catalyst not coated with an ion conductive binder to contribute to the reaction because it cannot form a three-phase interface, and to obtain high efficiency, a fuel gas or an oxidant gas is diffused. Therefore, a precise structure design of the catalyst layer such as a pore structure for the catalyst and a dispersed state of the catalyst is important. In addition, in the gas diffusion electrode part, the catalyst surface is covered with water contained in the reaction gas or water generated at the oxygen electrode, and the fuel gas or oxidant gas cannot contact the catalyst surface and power generation stops. In some cases, the electrode reaction may be stopped by preventing the supply or discharge of the fuel gas or the oxidant gas. Therefore, the water repellency of the gas diffusion electrode part is required.

また、ガス拡散電極と電解質膜との接合については、ホットプレスなどにより接合する方法が知られている。しかし、単にホットプレスするだけでは、良好な接合強度、電気的接合状態を得ることが困難であるため、ガス拡散電極の触媒層面にイオン伝導性バインダーを接着性樹脂として適用し、ガス拡散電極と電解質膜の密着性を向上させるのが好ましい。かかる適用に当たってイオン伝導性バインダーは一般に溶液状態で使用される。   As for joining of the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane, a method of joining by hot pressing or the like is known. However, since it is difficult to obtain good bonding strength and electrical bonding state simply by hot pressing, an ion conductive binder is applied as an adhesive resin to the catalyst layer surface of the gas diffusion electrode, and the gas diffusion electrode and It is preferable to improve the adhesion of the electrolyte membrane. For such applications, ion conductive binders are generally used in solution.

プロトン交換型燃料電池で使用されるイオン伝導性バインダーとしては、化学的に安定であるという理由から特許文献1や特許文献2に記載されているようなパーフルオロスルホン酸系高分子であるナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標。以下同様)が一般的に用いられている。しかし、ナフィオンはフッ素系のポリマーであるため非常に高価である。また、含フッ素系ポリマーは、フッ素を含有しており、合成および廃棄時に環境への配慮が必要となってくる。   As an ion conductive binder used in the proton exchange fuel cell, Nafion (perfluorosulfonic acid polymer as described in Patent Document 1 and Patent Document 2) is used because it is chemically stable. Nafion, a registered trademark of DuPont, the same applies hereinafter). However, since Nafion is a fluorine-based polymer, it is very expensive. In addition, the fluorine-containing polymer contains fluorine, and environmental considerations are required during synthesis and disposal.

これらの問題からフッ素系のポリマーに代わるイオン伝導性バインダーの開発がなされている。例えば、スルホン酸基などのイオン伝導性基を導入した芳香族エンプラ系樹脂が検討されているが、水との親和性の高いものが多く、このようなイオン伝導性バインダーでは、バインダー自体が発電中の反応ガスに含まれる湿分や酸素極の生成水により、電池系外に徐々に溶出していまい、電極の劣化が進行して十分な運転時間を確保することができない。イオン伝導性基導入量を減らすことで水に難溶とすることが可能であるが、十分なイオン伝導性が発現しないため、高い出力が得られない。また、架橋基を導入することで水不溶とした樹脂も検討されているが、有機溶剤に不溶であるため、適当な溶剤に懸濁して使用しなければならず、触媒層中への分散性が悪く、有効な三相界面を形成することが困難である。   Because of these problems, ion-conductive binders have been developed to replace fluorine-based polymers. For example, aromatic engineering plastic resins into which ion-conducting groups such as sulfonic acid groups are introduced have been studied, but many of them have a high affinity with water. In such ion-conducting binders, the binder itself generates power. The moisture contained in the reaction gas contained therein and the water generated from the oxygen electrode gradually elute out of the battery system, and the electrode deteriorates and cannot ensure sufficient operation time. Although it is possible to make it insoluble in water by reducing the amount of ion-conducting groups introduced, high output cannot be obtained because sufficient ion conductivity is not exhibited. In addition, a resin that has been insoluble in water by introducing a crosslinking group has been studied, but since it is insoluble in organic solvents, it must be suspended in an appropriate solvent and used in the catalyst layer. However, it is difficult to form an effective three-phase interface.

芳香族エンプラ系樹脂の他にも、スチレン系の熱可塑性エラストマーからなるイオン伝導性バインダーが提案されている(特許文献3や特許文献4)。例えば、SEBS(ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体の略)のスルホン化体が提案されており、水に難溶で、かつ電解質膜と良好な接合強度を有することが開示されている。しかしながら、一般に、固体高分子型燃料電池を構成する電極触媒層に使用されるイオン伝導性バインダーにおいては、電極反応の副反応で生じる過酸化水素や過酸化水素由来のヒドロキシルラジカルによる高分子骨格の分解に起因するイオン伝導性の低下や、イオン伝導性バインダー自体の電池系外への溶出が観察される。SEBSは構造上不安定な3級炭素を有するために、化学安定性、特に酸化安定性が不十分であると考えられる。実際に我々が実験した結果、酸化安定性は不十分であることが明らかとなった。このことは、発電中にイオン伝導性バインダーの劣化が進行するため、運転可能時間が制限されることを意味する。   In addition to aromatic engineering plastic resins, ion conductive binders made of styrene thermoplastic elastomers have been proposed (Patent Document 3 and Patent Document 4). For example, a sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer) has been proposed, which is hardly soluble in water and has a good bonding strength with an electrolyte membrane. It is disclosed. However, in general, in an ion conductive binder used for an electrode catalyst layer constituting a solid polymer fuel cell, a polymer skeleton is formed by hydrogen peroxide generated by a side reaction of an electrode reaction or a hydroxyl radical derived from hydrogen peroxide. Decrease in ion conductivity due to decomposition and elution of the ion conductive binder itself out of the battery system are observed. Since SEBS has structurally unstable tertiary carbon, it is considered that chemical stability, particularly oxidation stability, is insufficient. As a result of our experiments, it became clear that the oxidation stability was insufficient. This means that the operable time is limited because the deterioration of the ion conductive binder proceeds during power generation.

一方、アニオン交換型燃料電池で使用されるアニオン伝導性バインダーとしては、パーフルオロスルホン酸系高分子のスルホン酸基をアニオン交換基に変換したものが知られている。例えば、特許文献5に、テトラフルオロエチレンとCF=CFOCFCF(CF)O(CFSOFとを共重合させた後、N,N,N’−トリメチルエチレンジアミンを作用させたものが開示されている(段落0026)。しかしこのイオン伝導性バインダーにもナフィオンと同様の欠点がある。また、アニオン伝導性バインダーとして芳香族ポリエーテルスルホンと芳香族ポリチオエーテルスルホンとの共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られるアニオン交換樹脂が特許文献6に開示されている(段落0046)。しかしこのイオン伝導性バインダーは水との親和性の高く、上記した芳香族エンプラ系カチオン伝導性バインダーと同様の欠点を有している。また、アニオン伝導性バインダーとしてポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体等に第4級アンモニウム基を導入したものからなるアニオン伝導性バインダーが特許文献7に開示されている(段落0041及び0045)。しかしこのアニオン伝導性バインダーは同様の骨格を有する上記カチオン伝導性バインダーと同様の欠点を有する。 On the other hand, as an anion conductive binder used in an anion exchange type fuel cell, one obtained by converting a sulfonic acid group of a perfluorosulfonic acid polymer into an anion exchange group is known. For example, in Patent Document 5, tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 2 SO 3 F are copolymerized and then N, N, N′-trimethylethylenediamine is allowed to act. Is disclosed (paragraph 0026). However, this ion conductive binder has the same drawbacks as Nafion. Further, Patent Document 6 discloses an anion exchange resin obtained by aminating a chloromethylated copolymer of an aromatic polyethersulfone and an aromatic polythioethersulfone as an anion conductive binder (paragraph 0046). However, this ion conductive binder has a high affinity with water and has the same drawbacks as the above-described aromatic engineering plastic cation conductive binder. Further, Patent Document 7 discloses an anion conductive binder comprising a quaternary ammonium group introduced into a polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer or the like as an anion conductive binder (paragraph). 0041 and 0045). However, this anion conductive binder has the same disadvantages as the above cation conductive binder having a similar skeleton.

このように、経済的で、フッ素を含まず、酸化安定性に優れたアニオン伝導性バインダーは提案されていないのが実情である。
特公平2−7398号公報 特開平3−208260号公報 特開2002−164055号公報 特表2000−513484号公報 特開2000−331693号公報 特開平11−273695号公報 特開2002−367626号公報
As described above, an anion conductive binder that is economical, does not contain fluorine, and has excellent oxidation stability has not been proposed.
Japanese Patent Publication No.2-7398 JP-A-3-208260 JP 2002-164055 A Special Table 2000-513484 JP 2000-331693 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-273695 JP 2002-367626 A

本発明は、経済的で、環境に優しく、成形性に優れ、かつ、酸化安定性ひいては耐久性に優れたイオン伝導性バインダー、及び該イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体、及び該膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention provides an ion conductive binder that is economical, environmentally friendly, excellent in moldability, and excellent in oxidation stability and consequently durability, a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder, and the An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell using a membrane-electrode assembly.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、かつ、重合体ブロック(A)にアニオン伝導性基を結合させたブロック共重合体がイオン伝導性バインダーとして成形性及び酸化安定性に優れることを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a polymer block (A) having a repeating unit of an aromatic vinyl compound whose α-carbon is a quaternary carbon and a flexible polymer The present invention has found that a block copolymer having a block (B) as a constituent component and an anion conductive group bonded to the polymer block (A) is excellent in moldability and oxidation stability as an ion conductive binder. Was completed.

すなわち、本発明は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜に該膜を挟んで接合されている2つのガス拡散電極とからなる、固体高分子型燃料電池用の膜−電極接合体に用いるイオン伝導性バインダーであって、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体を含有し、かつ、重合体ブロック(A)が1価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、及び/又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該イオン伝導性バインダーに関する。   That is, the present invention provides a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane and two gas diffusion electrodes joined to the polymer electrolyte membrane with the membrane interposed therebetween. An ion conductive binder to be used, the polymer block (A) and the flexible polymer block (B) having an aromatic vinyl compound unit whose α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit. It contains a block copolymer, and the polymer block (A) has a monovalent anion conductive group, or the polyvalent anion conductive group is bonded in a form of cross-linking the polymer blocks (A). And / or an ion conductive binder in which a polyvalent anion conductive group is bonded in a form of cross-linking aromatic vinyl compound units in the polymer block (A).

上記ブロック共重合体において、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合により連続相(イオンチャンネル)が形成され、アニオン(通常、水酸化物イオン)の通り道となる。また、重合体ブロック(B)の存在により、ブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。フレキシブルな重合体ブロック(B)はアルケン単位や共役ジエン単位などから構成される。   In the block copolymer, the polymer block (A) and the polymer block (B) undergo microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) are aggregated. In addition, since the polymer block (A) has an ion conductive group, a continuous phase (ion channel) is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for anions (usually hydroxide ions). Further, the presence of the polymer block (B) makes the block copolymer elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bonding property) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. Performance, tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) is composed of an alkene unit or a conjugated diene unit.

α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位はα位の炭素原子に結合した水素原子がアルキル基、ハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位などを包含する。   The aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon includes an aromatic vinyl compound unit in which the hydrogen atom bonded to the α-position carbon atom is substituted with an alkyl group, a halogenated alkyl group or a phenyl group. To do.

また、アニオン伝導性基は重合体ブロック(A)に結合しているが、このことは酸化安定性の向上のため必要である。
アニオン伝導性基はそれぞれ対イオンを伴った、炭素数1〜8のアルキル基で置換されていてもよいアンモニウム基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するピリジニウム基もしくは酸と塩を形成したピリジル基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するイミダゾリウム基もしくは酸と塩を形成したイミダゾリル基、メチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいホスホニウム基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいエチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいトリ〜ヘキサメチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されたメチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいジエチレン(もしくはビス(トリメチレン))トリアミンの3つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価、2価もしくは3価の基等を包含する。
The anion conductive group is bonded to the polymer block (A), which is necessary for improving the oxidation stability.
Each anion-conducting group forms a salt with an ammonium group which may be substituted with a C1-C8 alkyl group, a methyl group or an ethyl group bonded to a nitrogen atom, or an acid with a counter ion. Pyridyl group, imidazolium group having methyl or ethyl group bonded to nitrogen atom, imidazolyl group forming salt with acid, phosphonium group optionally substituted with methyl group or ethyl group, hydrogen bonded to nitrogen atom A monovalent or divalent group in which a bond is derived from at least one of two nitrogen atoms of ethylenediamine optionally substituted with a methyl group or an ethyl group, and a hydrogen atom bonded to the nitrogen atom is a methyl group or At least two nitrogen atoms of tri-hexamethylenediamine optionally substituted with an ethyl group A bond is drawn from at least one of two nitrogen atoms of a monovalent or divalent group in which a bond is drawn from one or a methylenediamine in which a hydrogen atom bonded to a nitrogen atom is substituted with a methyl group or an ethyl group. Bonded from at least one of the three nitrogen atoms of diethylene (or bis (trimethylene)) triamine in which the hydrogen atom bonded to the nitrogen atom may be substituted with a methyl group or an ethyl group Includes monovalent, divalent or trivalent groups that are available.

本発明はまた、上記イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体並びに該膜−電極接合体を使用した燃料電池に関する。本発明はまた、該イオン伝導性バインダーを含有する溶液又は懸濁液に関する。   The present invention also relates to a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder and a fuel cell using the membrane-electrode assembly. The present invention also relates to a solution or suspension containing the ion conductive binder.

本発明のイオン伝導性バインダー、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は経済的で、環境に優しく、かつ酸化安定性ひいては耐久性に優れる。本発明のイオン伝導性バインダーは、また、成形性に優れる。   The ion conductive binder, membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell of the present invention are economical, environmentally friendly, and excellent in oxidation stability and durability. The ion conductive binder of the present invention is also excellent in moldability.

以下、本発明について詳細に説明する。本発明のイオン伝導性バインダーを構成するブロック共重合体は、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とし、かつ、少なくとも1つのアニオン伝導性基を(共)有する重合体ブロック(A)を構成成分とする。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention has an aromatic vinyl compound unit in which α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit, and at least one anion conductive group is (co). The polymer block (A) having is a constituent component.

α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物は、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基等)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物であることが好ましい。骨格となる芳香族ビニル系化合物としてはスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン、ビニルピリジン等が挙げられる。これらの芳香族ビニル系化合物の芳香環に結合した水素原子は1〜3個の置換基で置換されていてもよく、置換基としては各独立に炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)などが挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物の好適な具体例としてはα−メチルスチレンが挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物は各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。   The aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon has an alkyl group (a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-containing hydrogen atom bonded to the α-carbon atom). Aromatic vinyl substituted with a butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or a phenyl group. It is preferable that it is a type | system | group compound. Examples of the aromatic vinyl compound serving as a skeleton include styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl pyrene, and vinyl pyridine. The hydrogen atom bonded to the aromatic ring of these aromatic vinyl compounds may be substituted with 1 to 3 substituents, and each independently represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, Ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), C1-C4 halogenated alkyl group (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) ) And the like. Specific examples of the aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon include α-methylstyrene. Aromatic vinyl compounds in which the α-carbon is a quaternary carbon may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物[スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等]、炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。   The polymer block (A) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include aromatic vinyl compounds [styrene, alkyl groups having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to the benzene ring (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n- Styrene, vinylnaphthalene, vinylanthracene, vinylpyrene, etc.) substituted with a butyl group, an isobutyl group or a tert-butyl group], a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are described in the description of the polymer block (B) described later) The same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate) Butyl (meth) acrylate), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ester Ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon and the other monomer needs to be random copolymerization.

重合体ブロック(A)中のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られるイオン伝導性バインダーに十分な酸化安定性を付与するために、重合体ブロック(A)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。   The aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon in the polymer block (A) is a quaternary carbon is used in order to give sufficient oxidation stability to the finally obtained ion conductive binder. It is preferable to occupy 50% by mass or more of A), more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more.

重合体ブロック(A)の分子量は、イオン伝導性バインダーの性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、イオン伝導性バインダーの引張強度等の力学特性が高くなる傾向になり、分子量が小さい場合、イオン伝導性バインダーの電気抵抗が小さくなる傾向になり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、1,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A) is appropriately selected depending on the properties of the ion conductive binder, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties such as tensile strength of the ion conductive binder tend to be high, and when the molecular weight is small, the electric resistance of the ion conductive binder tends to be small, and the molecular weight is appropriately adjusted according to the required performance. It is important to choose. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 100 to 1,000,000, more preferably from 1,000 to 100,000.

本発明のイオン伝導性バインダーで使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A
)以外にフレキシブルな重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はアニオン伝導性基を(共)有するので重合体ブロック(A)同士の集合により連続相としてのイオンチャンネルが形成され、アニオン(通常、水酸化物イオン)の通り道となる。かかる重合体ブロック(B)を有することによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。
The block copolymer used in the ion conductive binder of the present invention is a polymer block (A
) And a flexible polymer block (B). The polymer block (A) and the polymer block (B) undergo a microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) have a property of gathering together, and the polymer block (A ) Has an anion-conducting group (co), so that an ion channel as a continuous phase is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for anions (usually hydroxide ions). By having such a polymer block (B), the block copolymer becomes elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bondability) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. , Tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) here is a so-called rubber-like polymer block having a glass transition point or softening point of 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.

フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位を構成することかできる単量体としては炭素数2〜8のアルケン、炭素数5〜8のシクロアルケン、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素数4〜8の共役ジエン及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられ、これらは単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエンの場合には1,2−結合であっても1,4−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば、1,2−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   Monomers that can constitute the repeating unit constituting the flexible polymer block (B) include alkenes having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkenes having 5 to 8 carbon atoms, and vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms in which one of the carbon-carbon double bonds is hydrogenated, and a carbon-carbon double bond A hydrogenated conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms, a hydrogenated conjugated cycloalkadiene having one hydrogenated carbon-carbon double bond, (meth) acrylic acid ester ((meth)) Methyl acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl Ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. These may be used alone or in combination. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and in the case of a conjugated diene, it is a 1,2-bond. 1,4-bonds may be used, and the ratio of 1,2-bonds to 1,4-bonds is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケン単位や共役ジエン単位や共役シクロアルカジエン単位である場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明のイオン伝導性バインダーを用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその30モル%以上が水素添加されているのが好ましく、50モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、80モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of a vinylcycloalkene unit, a conjugated diene unit, or a conjugated cycloalkadiene unit, the present invention From the standpoint of improving the power generation performance of the membrane-electrode assembly using the ion conductive binder of the above, improvement in heat deterioration resistance, etc., it is preferable that 30 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated, More preferably, 50 mol% or more is hydrogenated, and more preferably 80 mol% or more is hydrogenated. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.

重合体ブロック(B)は、得られるブロック共重合体に、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより一層好ましい。上記で、炭素数2〜6のアルケン単位として最も好ましいのは、イソブテン単位であり、共役ジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。   The polymer block (B) is an alkene having 2 to 8 carbon atoms from the viewpoint of giving the resulting block copolymer elasticity and, in turn, good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. Unit, cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, carbon-carbon double 7 to 10 carbon cycloalkene units having some or all of the hydrogenated hydrogen atoms, 4 to 8 carbon conjugated diene units having some or all of the carbon-carbon double bonds hydrogenated, and carbon -A polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon double bonds are hydrogenated. Preferably, the alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated are selected. More preferably, the polymer block is composed of at least one repeating unit, and the alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a part or all of the carbon-carbon double bonds are included. It is even more preferable that the polymer block is composed of at least one repeating unit selected from hydrogenated conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms. In the above, the most preferable alkene unit having 2 to 6 carbon atoms is an isobutene unit, and the most preferable conjugated diene unit is a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene unit.

上記で炭素数2〜8のアルケンとしてはエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等が挙げられ、炭素数5〜8のシクロアルケンとしてはシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテンが挙げられ、炭素数7〜10のビニルシクロアルケンとしてはビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテンなどが挙げられ、炭素数4〜8の共役ジエンとしては1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等が挙げられ、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエンとしてはシクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等が挙げられる。   As the alkene having 2 to 8 carbon atoms, ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1 -Octene, 2-octene, and the like. Examples of the cycloalkene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, and cyclooctene. Examples of the vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms include vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, Examples thereof include vinylcycloheptene and vinylcyclooctene. Examples of the conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms include 1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2 , 3-Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butyl Diene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene and the like, cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene, and the like as a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms.

また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体の単位、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等の単位を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。   In addition to the above monomers, the polymer block (B) is a unit of another monomer, such as styrene, within a range that does not impair the purpose of the polymer block (B) that gives elasticity to the block copolymer. Aromatic vinyl compounds such as vinyl naphthalene; units such as halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride may be included. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体の構造は特に限定されないが、例としてA−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体あるいはB−A−B型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。   Although the structure of the block copolymer which has a polymer block (A) and a polymer block (B) as a structural component is not specifically limited, ABA type | mold triblock copolymer, BAB, as an example Type triblock copolymer, ABA type triblock copolymer, or a mixture of BAB type triblock copolymer and AB type diblock copolymer, ABA type B-type tetrablock copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (AB) nX-type star copolymer Examples thereof include a polymer (X represents a coupling agent residue), (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue), and the like. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は95:5〜5:95であるのが好ましく、90:10〜10:90であるのがより好ましく、50:50〜10:90であるのがより一層好ましい。この質量比が95:5〜5:95である場合には、ミクロ相分離により重合体ブロック(A)の形成するイオンチャンネルがシリンダー状ないし連続相となるのに有利であって、実用上十分なアニオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック(B)の割合が適切となって耐水性にも優れることから、発電中にイオン伝導性バインダーの流出を防止できる。   The mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) is preferably 95: 5 to 5:95, more preferably 90:10 to 10:90, and 50:50 to 10 : 90 is even more preferable. When this mass ratio is 95: 5 to 5:95, it is advantageous for the ion channel formed by the polymer block (A) to become a cylindrical or continuous phase by microphase separation, which is practically sufficient. Anionic conductivity is exhibited, and the proportion of the polymer block (B) that is hydrophobic is appropriate and has excellent water resistance, so that the ion conductive binder can be prevented from flowing out during power generation.

本発明のイオン伝導性バインダーを構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)や重合体ブロック(B)と異なる他の重合体ブロック(C)を含んでいてもよい。
重合体ブロック(C)は、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離する成分であれば特に限定されない。重合体ブロック(C)を構成する単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物[スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等]、炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。重合体ブロック(C)を構成する単量体は1種であっても複数であってもよい。
The block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention may contain another polymer block (C) different from the polymer block (A) and the polymer block (B).
The polymer block (C) is not particularly limited as long as it is a component that undergoes microphase separation from the polymer block (A) and the polymer block (B). Examples of the monomer constituting the polymer block (C) include aromatic vinyl compounds [styrene, alkyl groups having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to the benzene ring (methyl group, ethyl group, n-propyl group). Styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl pyrene, etc. substituted with isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group or tert-butyl group], conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the aforementioned polymers) (Same as in the description of the block (B)), alkene having 2 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described above), (meth) acrylic acid ester ((meth) acrylic acid Methyl, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalic acid) Sulfonyl, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The monomer constituting the polymer block (C) may be one kind or plural kinds.

重合体ブロック(C)に、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離し、実質的にイオン基を含有せず、拘束相として働く機能を持たせる場合には、かかる重合体ブロック(C)を有する本発明に用いるブロック共重合体は、形態安定性、耐久性、湿潤下での力学特性が優れる傾向にある。この場合の重合体ブロック(C)を構成する単量体の好ましい例としては、上記した芳香族ビニル系化合物が挙げられる。また、重合体ブロック(C)を結晶性にすることによっても上記した機能を持たせることができる。 When the polymer block (C) is microphase-separated from the polymer block (A) and the polymer block (B) and does not substantially contain an ionic group and has a function of acting as a constrained phase, this is required. The block copolymer used in the present invention having the polymer block (C) tends to be excellent in form stability, durability and mechanical properties under wet conditions. Preferable examples of the monomer constituting the polymer block (C) in this case include the aromatic vinyl compounds described above. Moreover, the above-mentioned function can be imparted by making the polymer block (C) crystalline.

上記した機能を芳香族ビニル系化合物単位に依存する場合、重合体ブロック(C)中の芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック(C)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。また、上記と同じ観点から、重合体ブロック(C)中に含まれ得る芳香族ビニル系化合物単位以外の単位はランダム重合していることが望ましい。   When the above-mentioned function depends on the aromatic vinyl compound unit, the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (C) preferably occupies 50% by mass or more of the polymer block (C), and 70% by mass. %, More preferably 90% by mass or more. From the same viewpoint as described above, it is desirable that units other than the aromatic vinyl compound unit that can be included in the polymer block (C) are randomly polymerized.

重合体ブロック(C)を重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離させ、かつ拘束相として機能させる観点から特に好適な例としてポリスチレンブロック;ポリp−メチルスチレンブロック、ポリp−(t−ブチル)スチレンブロック等のポリスチレン系ブロック;任意の相互割合の、スチレン、p−メチルスチレン及びp−(t−ブチル)スチレンの2種以上からなる共重合体ブロック;結晶性水添1,4−ポリブタジエンブロック;結晶性ポリエチレンブロック;結晶性ポリプロピレンブロック等が挙げられる。   As a particularly preferable example from the viewpoint of causing the polymer block (C) to microphase-separate from the polymer block (A) and the polymer block (B) and to function as a constrained phase, a polystyrene block; a poly p-methylstyrene block, a poly Polystyrene block such as p- (t-butyl) styrene block; copolymer block composed of two or more kinds of styrene, p-methylstyrene and p- (t-butyl) styrene of any mutual ratio; crystalline water Examples include 1,4-polybutadiene block; crystalline polyethylene block; crystalline polypropylene block and the like.

本発明で用いるブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合の形態としては、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−B型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−C−B型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−B型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。   As a form in case the block copolymer used by this invention contains a polymer block (C), an ABC type triblock copolymer, an ABCA type tetrablock copolymer, A -B-A-C type tetrablock copolymer, B-A-B-C type tetrablock copolymer, A-B-C-B type tetrablock copolymer, C-A-B-A-C Type pentablock copolymer, CBACBBC type pentablock copolymer, ACCBCA type pentablock copolymer, ACCBAA type pentablock copolymer Block copolymer, A-B-C-A-B type pentablock copolymer, A-B-C-A-C type pentablock copolymer, A-B-C-B-C type pentablock copolymer Polymer, ABACBBC type pentablock copolymer, ABBACB type pentablock copolymer B-A-B-A-C type pentablock copolymer, B-A-B-C-A type pentablock copolymer, B-A-B-C-B type pentablock copolymer, etc. are mentioned. It is done.

本発明のイオン伝導性バインダーを構成するブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合、ブロック共重合体に占める重合体ブロック(C)の割合は40質量%以下であるのが好ましく、35質量%以下であるのがより好ましく、30質量%以下であるのがより一層好ましい。   When the block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention contains a polymer block (C), the proportion of the polymer block (C) in the block copolymer is preferably 40% by mass or less, It is more preferably 35% by mass or less, and further preferably 30% by mass or less.

本発明で用いるブロック共重合体のアニオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜2,000,000が好ましく、15,000〜1,000,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   Although the number average molecular weight of the block copolymer used in the present invention in a state where the anion conductive group is not introduced is not particularly limited, the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 2,000,000. Preferably, 15,000 to 1,000,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.

本発明のイオン伝導性バインダーを構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)にアニオン伝導性基を有することが必要である。本発明でアニオン伝導性に言及する場合のアニオンとしては水酸化物イオンなどが挙げられる。アニオン伝導性基としては、該イオン伝導性バインダーを用いて作製される膜−電極接合体が十分なアニオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、以下に示すような基が挙げられる。なお、アニオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にするのはブロック共重合体全体の酸化安定性を向上させるのに特に有効であるためである。   The block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention needs to have an anion conductive group in the polymer block (A). Examples of the anion when referring to anion conductivity in the present invention include hydroxide ions. The anion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the ion conductive binder can express sufficient anion conductivity. Can be mentioned. The introduction position of the anion conductive group is the polymer block (A) because it is particularly effective for improving the oxidative stability of the entire block copolymer.

Figure 2007194048
Figure 2007194048

上記式において、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R〜R及びR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、R10はメチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、mは2〜6の整数を表し、nは2又は3を表す。上記において、炭素数1〜8のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては特に制限はなく、例えばハロゲンイオン(特に塩素イオン)、1/2SO 2−、HSO 、p−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。
また上記において、R〜R及びR11がメチル基又はエチル基であり、Xが水酸化物イオンである場合には、高いアニオン伝導性を発現できるので好ましい。R〜R11はメチル基であるのがより好ましい。
In the above formula, R 1 to R 3 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 4 to R 9 and R 11 each independently represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, R 10 represents a methyl group or an ethyl group, X represents a hydroxide ion or an acid anion, m represents an integer of 2 to 6, and n represents 2 or 3. In the above, the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms is methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, 2-ethylhexyl. Groups and the like. There is no particular limitation on the anion, for example, a halogen ion (particularly chloride ion), 1 / 2SO 4 2-, HSO 4 -, may be mentioned p- toluenesulfonate anion.
Moreover, in the above, when R < 1 > -R < 9 > and R < 11 > are a methyl group or an ethyl group and X < - > is a hydroxide ion, since high anion conductivity can be expressed, it is preferable. R 1 to R 11 are more preferably a methyl group.

アニオン伝導性基の重合体ブロック(A)中への導入位置については特に制限はなく、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位に導入しても既述の他の単量体単位に導入してもよいが、酸化安定性の向上の観点からα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の芳香族環に導入するのがもっとも好ましい。この際、導入されたアニオン伝導性基が例えば上記式中の(1)〜(8)のような1価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック(A)に結合しているが、例えば上記式中の(9)〜(13)のような多価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している。   There are no particular restrictions on the position at which the anion conductive group is introduced into the polymer block (A), and even if it is introduced into an aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon, the other units described above It may be introduced into the body unit, but is most preferably introduced into the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon from the viewpoint of improving the oxidation stability. At this time, when the introduced anion conductive group is a monovalent group such as (1) to (8) in the above formula, the group is bonded to the polymer block (A). Is a polyvalent group such as (9) to (13) in the above formula, the group is bonded in a form that crosslinks the polymer blocks (A), or the polymer block In (A), the aromatic vinyl compound units are bonded in a form of crosslinking.

アニオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用のイオン伝導性バインダーとして使用するのに十分なアニオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり耐水性が不十分になる傾向となるので、3.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of anion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer, etc., but exhibits sufficient anion conductivity for use as an ion-conducting binder for solid polymer fuel cells In general, the amount is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, and more preferably 0.40 meq / g or more. . The upper limit of the ion exchange capacity of the block copolymer is preferably 3.0 meq / g or less because if the ion exchange capacity is too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient.

本発明で用いられるブロック共重合体の製造法に関しては主に次の2つの方法に大別される。すなわち、(1)まずアニオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、アニオン伝導性基を結合させる方法、(2)アニオン伝導性基を有する単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。   The production method of the block copolymer used in the present invention is roughly classified into the following two methods. That is, (1) a method in which a block copolymer having no anion conductive group is first prepared and then anion conductive groups are bonded, and (2) block copolymerization using a monomer having an anion conductive group. This is a method for producing a coalescence.

まず第1の製造法について述べる。
重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合法あるいはカチオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック(B)又は(A)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法あるいはリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。
First, the first manufacturing method will be described.
Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, The method is appropriately selected from coordination polymerization methods and the like, but from the viewpoint of industrial ease, a radical polymerization method, an anionic polymerization method or a cationic polymerization method is preferably selected. In particular, the so-called living polymerization method is preferred from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding with the polymer block (B) or (A) comprising a flexible component, and specifically, a living radical polymerization method. Or a living anionic polymerization method and a living cation polymerization method are preferable.

製造法の具体例として、ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びポリ共役ジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法、並びにポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びポリイソブテンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からリビングアニオン重合法又はリビングカチオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。   Specific examples of the production method include a method for producing a block copolymer comprising a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of polyconjugated diene, and poly (α A method for producing a block copolymer comprising a polymer block (A) composed of -methylstyrene) and a polymer block (B) composed of polyisobutene will be described. In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method or a living cationic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), etc. The following specific synthesis examples are shown.

(1)テトラヒドロフラン溶媒中でジアニオン系開始剤を用いて共役ジエン重合後に、−78℃の温度条件下でα−メチルスチレンを逐次重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1969),2(5),453−458)、
(2)α−メチルスチレンをアニオン系開始剤を用いてバルク重合を行った後に、共役ジエンを逐次重合させ、その後テトラクロロシラン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、(A−B)nX型ブロック共重合体を得る方法(Kautsch.Gummi,
Kunstst.,(1984),37(5),377−379; Po
lym. Bull., (1984),12,71−77)、
(3)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させた後、カップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(1) A method of obtaining an ABA type block copolymer by sequentially polymerizing α-methylstyrene under a temperature condition of −78 ° C. after conjugated diene polymerization using a dianionic initiator in a tetrahydrofuran solvent (Macromolecules , (1969), 2 (5), 453-458),
(2) After bulk polymerization of α-methylstyrene using an anionic initiator, conjugated dienes are sequentially polymerized, and then a coupling reaction is performed with a coupling agent such as tetrachlorosilane. (AB) nX Method for obtaining a mold block copolymer (Kautsch. Gummi,
Kunstst. , (1984), 37 (5), 377-379; Po
lym. Bull. , (1984), 12, 71-77),
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene, a conjugated diene is polymerized to the resulting living polymer, and then a coupling agent is added to obtain an ABA block copolymer.

(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役ジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体
のリビングポリマーに重合体ブロック(C)を構成する単量体を重合させてA−B−C型ブロック共重合体を得る方法、
(5)ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−78℃で、2官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、ジフェニルエチレンを付加させ、さらにルイス酸を後添加後、α−メチルスチレンを重合させ、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1995),28,4893−4898)、及び
(6)ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−78℃で、1官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、α−メチルスチレンを重合後、さらにルイス酸を後添加し、イソブテンを重合させた後、2、2−ビス−[4−(1−フェニルエテニル)フェニル]プロパン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Polym.
Bull., (2000),45,121−128)
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene, and the resulting α-methylstyrene polymer block and conjugated diene polymer block are formed into a polymer block (C ) To obtain an ABC type block copolymer,
(5) Cationic polymerization of isobutene in the presence of Lewis acid using a bifunctional organic halogen compound at -78 ° C in a mixed solvent of halogenated hydrocarbon and hydrocarbon, followed by addition of diphenylethylene, Further, after adding Lewis acid, α-methylstyrene is polymerized to obtain an ABA type block copolymer (Macromolecules, (1995), 28, 4893-4898), and (6) halogenated carbonization. In a mixed solvent of hydrogen and hydrocarbon at −78 ° C., using a monofunctional organic halogen compound, α-methylstyrene is polymerized in the presence of Lewis acid, and then Lewis acid is further added to polymerize isobutene. After that, a coupling reaction is performed with a coupling agent such as 2,2-bis- [4- (1-phenylethenyl) phenyl] propane, and the ABA block Method for obtaining a polymer (Polym.
Bull. , (2000), 45, 121-128)

ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及び共役ジエン化合物からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体を製造する場合、上記ブロック共重合体の具体的製造方法中、(3)及び(4)の方法が好ましく、特に(3)の方法がより好ましい方法として採用される。
ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びイソブテンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体を製造する場合、(5)又は(6)に示す公知の方法が採用される。
When producing a block copolymer comprising as a component a polymer block (A) comprising poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) comprising a conjugated diene compound, a specific method for producing the block copolymer Among these, the methods (3) and (4) are preferable, and the method (3) is particularly preferable.
When producing a block copolymer comprising a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of isobutene as a component, a known method shown in (5) or (6) Is adopted.

次に、得られたブロック共重合体にアニオン伝導性基を導入する方法について述べる。アニオン伝導性基の導入は公知の方法で行うことができる。例えば、得られたブロック共重合体をクロロメチル化し、ついでアミンもしくはホスフィンと反応させ、さらに必要に応じ、塩素イオンを水酸化物イオンや他の酸アニオンで置換する。   Next, a method for introducing an anion conductive group into the obtained block copolymer will be described. The introduction of the anion conductive group can be performed by a known method. For example, the resulting block copolymer is chloromethylated, then reacted with an amine or phosphine, and further, chlorine ions are replaced with hydroxide ions or other acid anions as necessary.

上記のクロロメチル化方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、ブロック共重合体の有機溶媒中への溶液や縣濁液にクロロメチル化剤及び触媒を添加してクロロメチル化させる方法を用い得る。有機溶媒としてはクロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素を例示できるがこれらに限定されるものではない。クロロメチル化剤としてはクロロメチルエチルエーテルや塩酸−パラホルムアルデヒドなどを使用でき、触媒としては塩化スズや塩化亜鉛などを使用できる。   The chloromethylation method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of adding a chloromethylating agent and a catalyst to a solution or suspension of the block copolymer in an organic solvent and chloromethylating can be used. Examples of the organic solvent include halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloroethane, but are not limited thereto. As the chloromethylating agent, chloromethyl ethyl ether or hydrochloric acid-paraformaldehyde can be used, and as the catalyst, tin chloride, zinc chloride or the like can be used.

クロロメチル化したブロック共重合体にアミンもしくはホスフィンを反応させる方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、得られたクロロメチル化したブロック共重合体の有機溶媒中への溶液、縣濁液、又はかかる溶液や懸濁液から公知の方法により成形した膜にアミンもしくはホスフィンをそのままもしくは必要に応じ有機溶媒中への溶液として添加して反応を進行させる方法を用い得る。有機溶媒中への溶液や懸濁液を調製する有機溶媒としては、メタノールやアセトンなどを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
アミンやホスフィンとしては、特に制限はないが、以下に示すようなものを好適に用いることができる。
The method for reacting the chloromethylated block copolymer with amine or phosphine is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a solution or suspension of the obtained chloromethylated block copolymer in an organic solvent, or a film formed by a known method from such a solution or suspension, amine or phosphine is used as it is or as necessary. A method of allowing the reaction to proceed by adding it as a solution in an organic solvent can be used. Examples of the organic solvent for preparing a solution or suspension in the organic solvent include methanol and acetone, but are not limited thereto.
The amine and phosphine are not particularly limited, but those shown below can be preferably used.

Figure 2007194048
Figure 2007194048

上記式中、R〜R、R〜R11、m及びnは前記と同義である。すなわち、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基であり、R〜R並びにR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基であり、R10はメチル基又はエチル基であり、mは2〜6の整数であり、nは2又は3である。R〜R、R〜R並びにR11はそれぞれ独立にメチル基又はエチル基であるのが好ましく、R〜R並びにR〜R11はメチル基であるのがより好ましい。 In the above formula, R 1 ~R 3, R 6 ~R 11, m and n are defined as above. That is, R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 6 to R 9 and R 11 are each independently a hydrogen atom, a methyl group, or an ethyl group, and R 10 Is a methyl group or an ethyl group, m is an integer of 2 to 6, and n is 2 or 3. R 1 to R 3 , R 6 to R 9 and R 11 are preferably each independently a methyl group or an ethyl group, and R 1 to R 3 and R 6 to R 11 are more preferably a methyl group.

クロロメチル化したブロック共重合体とアミンもしくはホスフィンとの反応によって、すでに述べたようなアニオン伝導性基が導入される。ここで、モノアミン(1)やホスフィン(2)を用いる場合には、重合体ブロック(A)中にアニオン伝導性基が導入されるが、ジアミン(3)もしくは(4)やトリアミン(5)等の多価アミンを用いる場合には、重合体ブロック(A)中に1価のアニオン伝導性基として導入されるときもあり、多価のアニオン伝導性基として導入され、重合体ブロック(A)同士を架橋したり重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋したりするときもあると考えられる。
また、R〜Rが炭素数1〜8のアルキル基である場合や、R〜R並びにR11がメチル基又はエチル基である場合には、アニオン伝導性基は第4級アンモニウム基もしくは第4級ホスホニウム基を有することになる。
Reaction of the chloromethylated block copolymer with an amine or phosphine introduces an anion-conducting group as already mentioned. Here, when monoamine (1) or phosphine (2) is used, an anion conductive group is introduced into the polymer block (A), but diamine (3) or (4), triamine (5), etc. When the polyvalent amine is used, it may be introduced as a monovalent anion conductive group in the polymer block (A), or may be introduced as a polyvalent anion conductive group. It is considered that the aromatic vinyl compound units may be crosslinked with each other in the polymer block (A).
Further, and when R 1 to R 3 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, when R 6 to R 9 and R 11 is a methyl group or an ethyl group, anion-conducting group is a quaternary ammonium Group or quaternary phosphonium group.

上記で導入されたアニオン伝導性基は酸アニオンとして塩素イオンを有しているので、必要に応じ、これを水酸化物イオンもしくは他の酸アニオンに、好ましくは水酸化物イオンに変換する。他のイオンに変換する方法としては特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、水酸化物イオンに変換する場合には、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液に、アニオン伝導性基が導入されたブロック共重合体を浸漬する方法を例示することができる。   Since the anion conductive group introduced above has a chlorine ion as an acid anion, it is converted into a hydroxide ion or another acid anion, preferably a hydroxide ion, if necessary. A method for converting to other ions is not particularly limited, and a known method can be used. For example, when converting to hydroxide ions, a method of immersing a block copolymer into which an anion conductive group is introduced in an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be exemplified.

アニオン伝導性基の導入量は、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上になるような量であることが望ましく、0.40meq/g以上になるような量であることがより好ましい。これにより実用的なアニオン伝導性能が得られる。アニオン伝導性基を導入したブロック共重合体のイオン交換容量は、滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて測定することができる。 As described above, the amount of the anion conductive group introduced is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, such that it is 0.40 meq / g or more. More preferably, it is an amount. Thereby, practical anion conducting performance can be obtained. The ion exchange capacity of the block copolymer into which the anion conductive group is introduced can be measured by using analytical means such as titration method, infrared spectrum measurement, nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement. .

本発明で用いられるブロック共重合体の、第2の製造法は、アニオン伝導性基を有する少なくとも1つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
アニオン伝導性基を有する単量体としては、以下に示すような基を用いることができる。
The second production method of the block copolymer used in the present invention is a method for producing a block copolymer using at least one monomer having an anion conductive group.
As the monomer having an anion conductive group, the following groups can be used.

Figure 2007194048
Figure 2007194048

式中、R12、R14及びR16は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基又はフェニル基を表し、R13は水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R15及びR17は水素原子、メチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表す。上記で炭素数1〜4のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、イソブチル基等が、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基としてはクロロメチル基、クロロエチル基、クロロプロピル基等が挙げられる。また、炭素数1〜8のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては、特に制限はなく、例えばハロゲンイオン(特に塩素イオン)、1/2SO 2−、HSO 、p−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。R12〜R17としてはメチル基又はエチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。上記式(2)において、−C(R14)=CH基は4位もしくは2位に結合しているのが好ましい。
上記したアニオン伝導性基を有する単量体の中で、R13がメチル基又はエチル基、特にメチル基である式(1)で表される単量体が特に好ましい。
In formula, R < 12 >, R <14> and R < 16 > represent a hydrogen atom, a C1-C4 alkyl group, a C1-C4 halogenated alkyl group, or a phenyl group, and R < 13 > has a hydrogen atom or C1-C1. 8 represents an alkyl group, R 15 and R 17 represent a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and X represents a hydroxide ion or an acid anion. In the above, the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, isobutyl group, etc., and the halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is chloromethyl group, chloroethyl group, A chloropropyl group etc. are mentioned. Moreover, as a C1-C8 alkyl group, a methyl group, an ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, 2-ethylhexyl group Etc. The acid anion is not particularly limited, for example, a halogen ion (particularly chloride ion), 1 / 2SO 4 2-, HSO 4 -, may be mentioned p- toluenesulfonate anion. R 12 to R 17 are preferably a methyl group or an ethyl group, and more preferably a methyl group. In the above formula (2), the —C (R 14 ) ═CH 2 group is preferably bonded to the 4-position or the 2-position.
Among the monomers having an anion conductive group described above, a monomer represented by the formula (1) in which R 13 is a methyl group or an ethyl group, particularly a methyl group, is particularly preferable.

本発明のイオン伝導性バインダーは、本発明で用いられるブロック共重合体に加えて、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、軟化剤を含有していてもよい。軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等があり、これらは各単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。   In addition to the block copolymer used by this invention, the ion conductive binder of this invention may contain the softening agent in the range which does not impair the effect of this invention as needed. Softeners include petroleum-based softeners such as paraffinic, naphthenic or aroma-based process oils, paraffin, vegetable oil-based softeners, plasticizers, etc., and these may be used alone or in combination of two or more. it can.

本発明のイオン伝導性バインダーは、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、各種添加剤、例えば、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。安定剤の具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、2種以上組み合わせても用いてもよい。   The ion-conductive binder of the present invention may further include various additives such as phenol-based stabilizers, sulfur-based stabilizers, phosphorus-based stabilizers, and light stabilizers, as long as they do not impair the effects of the present invention. , Antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, whitening agents, carbon fibers and the like may be used alone or in combination of two or more. Specific examples of the stabilizer include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerystyryl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1 , 3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy) Phenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy- 3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propi Onate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamamide), 3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris -(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy ] 1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane and other fail stabilizers; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl Sulfur systems such as 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3′-thiodipropionate Stabilizer; trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasteryl pentaerythritol diphosphite, bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) And phosphorus stabilizers such as pentaerythritol diphosphite. These stabilizers may be used alone or in combination of two or more.

本発明のイオン伝導性バインダーは、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、無機充填剤を含有していてもよい。かかる無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。   The ion conductive binder of the present invention may further contain an inorganic filler as long as it does not impair the effects of the present invention. Specific examples of such inorganic fillers include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.

本発明のイオン伝導性バインダーにおける上記ブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。   From the viewpoint of ion conductivity, the content of the block copolymer in the ion conductive binder of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass or more. Is more preferable.

本発明のイオン伝導性バインダーは、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極を構成する
触媒層において使用されるか、あるいは電解質膜と触媒層との接合面に使用される。上記イオン伝導性バインダーは、膜−電極接合体の両側の電極に使用されるのが好ましいが、いずれか一方のみに使用してもよい。
The ion conductive binder of the present invention is used in a catalyst layer constituting a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, or is used for a joining surface between an electrolyte membrane and a catalyst layer. The ion conductive binder is preferably used for electrodes on both sides of the membrane-electrode assembly, but may be used for only one of them.

本発明のイオン伝導性バインダーを、触媒を担持した触媒担体の表面に付着させて、触媒担体同士を結着させ、かつこれをガス拡散層又は電解質膜に接合させる方法としては、イオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液を、触媒を担持した導電性触媒担体などの原料粒子と混合した触媒ペーストを、ガス拡散層又は電解質膜に塗布してもよいし、予め形成されたガス拡散電極の触媒層にイオン伝導性バインダーを含む溶液を含浸させてもよい。   As a method of attaching the ion conductive binder of the present invention to the surface of a catalyst carrier carrying a catalyst, binding the catalyst carriers together, and joining this to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane, an ion conductive binder is used. A catalyst paste prepared by mixing a solution or suspension of the above with raw material particles such as a conductive catalyst carrier carrying a catalyst may be applied to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane, or a catalyst for a gas diffusion electrode formed in advance. The layer may be impregnated with a solution containing an ion conductive binder.

本発明のイオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液に使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊しないものであれば特に限定されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素溶媒、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類の他、アセトニトリル、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等を例示することができる。これらの溶媒は各単独でもしくは2種以上組み合わせて用いることができる。また、また、イオン伝導性バインダーの溶解性もしくは懸濁性が損なわれない程度に水との混合溶液としてもよい。   The solvent used for the solution or suspension of the ion conductive binder of the present invention is not particularly limited as long as it does not destroy the structure of the block copolymer. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Hydrogen, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, acetonitrile, nitromethane, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc. It can be illustrated. These solvents can be used alone or in combination of two or more. Moreover, it is good also as a mixed solution with water to such an extent that the solubility or suspension property of an ion conductive binder is not impaired.

イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液の濃度は、触媒層の触媒表面に適切な皮膜が形成されやすい濃度であればよく、通常3質量%〜10質量%であることが好ましい。この濃度が高すぎると、触媒表面に形成される皮膜の厚さが大きすぎて反応ガスの触媒への拡散が阻害されたり、均一な触媒層を形成できず、触媒の利用効率が低減したりして、燃料電池としての出力が低下する場合がある。また、この濃度が低すぎると、溶液又は懸濁液の粘度が小さすぎて、ガス拡散層に塗布した場合には、ガス拡散層の内部深くまで浸透して、ガスの拡散性を阻害する場合がある。   The density | concentration of the solution or suspension containing an ion conductive binder should just be a density | concentration in which a suitable membrane | film | coat is easy to be formed on the catalyst surface of a catalyst layer, and it is preferable that it is normally 3 mass%-10 mass%. If this concentration is too high, the thickness of the film formed on the catalyst surface will be too large, and diffusion of the reaction gas to the catalyst will be hindered, or a uniform catalyst layer will not be formed, and the utilization efficiency of the catalyst will be reduced. As a result, the output of the fuel cell may decrease. Also, if this concentration is too low, the viscosity of the solution or suspension is too small, and when applied to the gas diffusion layer, it penetrates deeply into the gas diffusion layer and inhibits gas diffusibility. There is.

本発明のイオン伝導性バインダーを触媒層の触媒担体の表面に付着させて、触媒を結着する別の方法としては、イオン伝導性バインダーの粉末を、触媒を担持した導電性触媒担体などの原料粒子と混合し、ガス拡散層又は電解質膜に静電塗付する方法が挙げられる。   As another method for attaching the catalyst by attaching the ion conductive binder of the present invention to the surface of the catalyst carrier of the catalyst layer, the ion conductive binder powder is used as a raw material for a conductive catalyst carrier or the like carrying the catalyst. The method of mixing with particle | grains and electrostatically applying to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane is mentioned.

本発明のイオン伝導性バインダーを、電解質膜と触媒層との接合面に使用する方法としては、イオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液を電解質膜又はガス拡散電極に形成された触媒層面に塗布し、電解質膜とガス拡散電極とを張り合わせ、必要に応じて熱圧着させる方法、あるいは、イオン伝導性バインダーの微粉末を電解質膜又はガス拡散電極に形成された触媒層面に静電塗布し、電解質膜と電極を張り合わせ、イオン伝導性バインダーの軟化温度以上で熱圧着させる方法が挙げられる。   As a method of using the ion conductive binder of the present invention on the joint surface between the electrolyte membrane and the catalyst layer, a solution or suspension of the ion conductive binder is applied to the catalyst layer surface formed on the electrolyte membrane or the gas diffusion electrode. Then, the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode are bonded together and thermocompression bonded as necessary, or the fine powder of the ion conductive binder is electrostatically applied to the surface of the catalyst layer formed on the electrolyte membrane or the gas diffusion electrode, and the electrolyte A method in which the membrane and the electrode are bonded together and thermocompression bonding is performed at a temperature higher than the softening temperature of the ion conductive binder is exemplified.

イオン伝導性バインダーを含む溶液を電解質膜と触媒層との接合界面に使用する場合の溶液濃度は、高分子電解質膜とガス拡散電極との密着性が確保される3質量%〜10質量%が好ましい。この濃度が低すぎると、電解質膜とガス拡散電極との接合が不完全になる場合がある。また、この濃度が高すぎると、ガス拡散層の接合面への塗布性が低下したり、細部への浸透性が低下する場合がある。   The solution concentration in the case of using a solution containing an ion conductive binder at the joining interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer is 3% by mass to 10% by mass for ensuring the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode. preferable. If this concentration is too low, the bonding between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode may be incomplete. Moreover, when this density | concentration is too high, the applicability | paintability to the joint surface of a gas diffusion layer may fall, or the permeability to a detail may fall.

次に、本発明のイオン伝導性バインダーを用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで2対の接合体をそれぞれ触媒層を内側にして、電解質膜の両側にホットプレスなどによりと接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、電解質膜の両面及び/又は2対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、2対のこの基材フィルム上の触媒層を電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、これらの方法をアニオン伝導性基を塩化物等の塩にした状態で行い、接合後のアルカリ処理によって水酸化物型に戻す処理を行ってもよい。   Next, a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. To form a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then to join the two pairs of joined bodies with the catalyst layer on the inside and hot press on both sides of the electrolyte membrane, or the above catalyst paste Is applied to both sides of the electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form catalyst layers, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As yet another production method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the electrolyte membrane and / or the catalyst layer surfaces of the two pairs of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded together, There is a method of joining by pressure bonding or the like. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then two pairs of base films on the base film are formed. There is a method in which a catalyst layer is transferred to both sides of an electrolyte membrane by thermocompression bonding, a base film is peeled to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and a gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. is there. In these methods, these methods may be performed in a state in which the anion conductive group is converted to a salt such as chloride, and a treatment for returning to a hydroxide type by an alkali treatment after bonding may be performed.

本発明の膜−電極接合体には、本発明のイオン伝導性バインダーが電極触媒層、及びガス拡散電極と電解質膜との接合面の少なくとも一方に使用される。好ましくは両方に使用され、この場合、燃料電池の酸化安定性向上の効果が顕著である。   In the membrane-electrode assembly of the present invention, the ion conductive binder of the present invention is used for at least one of the electrode catalyst layer and the bonding surface between the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane. It is preferably used for both, and in this case, the effect of improving the oxidation stability of the fuel cell is remarkable.

上記膜−電極接合体を構成する電解質膜としては、例えば、ポリクロロメチルスチレンを第3級アミンと反応させて第4級アンモニウム塩とし、必要に応じ水酸化物の形態にしたもの等を用いることができる。また、本発明のイオン伝導性バインダーを構成するブロック共重合体から電解質膜を作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、ガス拡散電極に使用したイオン伝導性バインダー中の重合体と同一材料から形成した電解質膜を用いることが好ましい。   As the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly, for example, polychloromethylstyrene is reacted with a tertiary amine to form a quaternary ammonium salt, and in the form of a hydroxide if necessary. be able to. Moreover, you may produce an electrolyte membrane from the block copolymer which comprises the ion conductive binder of this invention. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an electrolyte membrane formed from the same material as the polymer in the ion conductive binder used for the gas diffusion electrode.

上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、10〜300オングストロームである。これら触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量は少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。   The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is advantageous in terms of cost. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, and polyetheretherketone.

上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。   The gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly is made of a material having conductivity and gas permeability, and examples of such a material include porous materials made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. Moreover, in order to improve water repellency, this material may be subjected to water repellency treatment.

上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
上記の方法で得られる膜−電極接合体を使用した燃料電池は、化学的安定性に優れ、経時的な発電特性の低下が少なく、長時間安定して使用できる。
A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there.
A fuel cell using the membrane-electrode assembly obtained by the above method is excellent in chemical stability, has little deterioration in power generation characteristics over time, and can be used stably for a long time.

以下、実施例、比較例及び参考例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
参考例1
ポリ(α−メチルスチレン)(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(特開2001−172324号公報)と同様の方法で、ポリ(α−メチルスチレン)−b−ポリブタジエン−ポリ(α−メチルスチレン)型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を合成した。得られたmSEBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は74000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は56%、α−メチルスチレン単位の含有量は28.6質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSEBmSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリ(α−メチルスチレン)−b−水添ポリブタジエン−b−ポリ(α−メチルスチレン)型トリブロック共重合体(以下HmSEBmSと略記する)を得た。得られたHmSEBmSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.8%であった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example, a comparative example, and a reference example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these.
Reference example 1
Production of block copolymer comprising poly (α-methylstyrene) (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) Same as previously reported method (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-172324) In this way, a poly (α-methylstyrene) -b-polybutadiene-poly (α-methylstyrene) type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSEBmS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained mSEBmS is 74000, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 56%, and the content of α-methylstyrene unit is 28.6. It was mass%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
A cyclohexane solution of synthesized mSEBmS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 80 ° C. for 5 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. The poly (α-methylstyrene) -b-hydrogenated polybutadiene-b-poly (α-methylstyrene) type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as HmSEBmS) was obtained. The hydrogenation proportion of the resulting HmSEBmS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.8%.

実施例1
(1)水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmSの作製
参考例1で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム650mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル135mlと四塩化スズ5.7mlを加え、35℃で9時間攪拌した。次に、反応溶液を4Lのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したHmSEBmSを得た。クロロメチル化したHmSEBmSのクロロメチル化率は、H−NMR分析から
α−メチルスチレン単位の59.0mol%であった。
つぎに、クロロメチル化したHmSEBmSをトルエンに溶解し、ポリテトラフルオロエチレンシート上にキャストし室温で十分乾燥させて、厚さ70μmのキャスト膜を得た。
つぎに、得られたキャスト膜を30%トリメチルアミン水溶液とアセトンの体積比1:1の混合液に室温で24時間浸漬することでクロロメチル基をアミノ化した。
最後に、アミノ化したHmSEBmS膜を0.5N−NaOH水溶液に室温で5時間浸漬してイオン交換し、水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmS膜を得た。膜厚は100μmであり、イオン交換容量はH−NMR測定から得られる値から換算して1.26meq/gであった。
Example 1
(1) Production of HmSEBmS having quaternary ammonium hydroxide group 100 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then purged with nitrogen. After that, 650 ml of chloroform was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, 135 ml of chloromethyl ethyl ether and 5.7 ml of tin tetrachloride were added and stirred at 35 ° C. for 9 hours. Next, the reaction solution was added to 4 L of methanol, and the precipitate was washed and dried to obtain chloromethylated HmSEBmS. The chloromethylation rate of chloromethylated HmSEBmS was 59.0 mol% of α-methylstyrene units from 1 H-NMR analysis.
Next, chloromethylated HmSEBmS was dissolved in toluene, cast on a polytetrafluoroethylene sheet and sufficiently dried at room temperature to obtain a cast film having a thickness of 70 μm.
Next, the chloromethyl group was aminated by immersing the obtained cast film in a mixed solution of 30% trimethylamine aqueous solution and acetone in a volume ratio of 1: 1 at room temperature for 24 hours.
Finally, the aminated HmSEBmS membrane was immersed in a 0.5N-NaOH aqueous solution at room temperature for 5 hours for ion exchange to obtain an HmSEBmS membrane having a quaternary ammonium hydroxide group. The film thickness was 100 μm, and the ion exchange capacity was 1.26 meq / g in terms of the value obtained from 1 H-NMR measurement.

(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt触媒担持カーボンに、(1)で得られた水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmS膜のクロロホルム/イソブチルアルコール溶液(クロロホルム:イソブチルアルコール=7:3、4質量%)を混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストを撥水処理済みのカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、数時間放置することでカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極のPt担持量と水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmSの量は共に1.0mg/cmであった。ついで、(1)で作製した電解質膜(10cm×10cm)をカーボンペーパー電極(5.0cm×5.0cm)で膜と触媒面とがそれぞれ向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(60℃、80kg/cm、2min)して膜−電極接合体を作製した。
上記で作製した膜−電極接合体(耐熱性フィルム及びステンレス板を外したもの)を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚み分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. The Pt catalyst-supported carbon is mixed with the chloroform / isobutyl alcohol solution (chloroform: isobutyl alcohol = 7: 3, 4% by mass) of the HmSEBmS film having the quaternary ammonium hydroxide group obtained in (1) and dispersed uniformly. A prepared paste was prepared. This paste was uniformly applied to one side of a water-repellent treated carbon paper and left for several hours to produce a carbon paper electrode. The amount of Pt supported on the prepared electrode and the amount of HmSEBmS having a quaternary ammonium hydroxide group were both 1.0 mg / cm 2 . Next, the electrolyte membrane (10 cm × 10 cm) produced in (1) is sandwiched between carbon paper electrodes (5.0 cm × 5.0 cm) so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outer side of the two heat resistant films And a membrane-electrode assembly was prepared by sandwiching in turn between two stainless plates and hot pressing (60 ° C., 80 kg / cm 2 , 2 min).
The membrane-electrode assembly produced above (with the heat-resistant film and stainless steel plate removed) is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside of the membrane-electrode assembly is two sheets. An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced by sandwiching in turn between an electric plate and two clamping plates. In addition, a gasket was disposed between each membrane-electrode assembly and the separator in order to prevent gas leakage from a step corresponding to the thickness of the electrode.

実施例2
(1)水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmSの作製
実施例1においてクロロメチル化の反応時間を20分間にする以外は実施例1と同様に操作してクロロメチル化HmSEBmSを得た。クロロメチル化したHmSEBmSのクロロメチル化率は、H−NMR分析からα−メチルスチレン単位の23.0mol%であった。次に、実施例1(1)と同様の方法で、アミノ化、イオン交換して水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmS膜を得た。膜厚は100μmであり、イオン交換容量はH−NMR測定から得られる値から換算して0.49meq/gであった。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記(1)で調製した水酸化4級アンモニウム基を有するHmSEBmSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法にて電極を作製した。ついで、実施例1(1)で作製した膜と上記電極から、実施例1(2)と同様の方法にて膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。なお、作製した電極のPt担持量と水酸化アンモニウム基を有するHmSEBmSの量は共に0.95mg/cmであった。
Example 2
(1) Production of HmSEBmS having quaternary ammonium hydroxide group In Example 1, chloromethylated HmSEBmS was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reaction time of chloromethylation was 20 minutes. The chloromethylation rate of chloromethylated HmSEBmS was 23.0 mol% of α-methylstyrene units from 1 H-NMR analysis. Next, by the same method as in Example 1 (1), amination and ion exchange were performed to obtain a HmSEBmS film having a quaternary ammonium hydroxide group. The film thickness was 100 μm, and the ion exchange capacity was 0.49 meq / g in terms of the value obtained from 1 H-NMR measurement.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode was produced in the same manner as in Example 1 (2) except that HmSEBmS having a quaternary ammonium hydroxide group prepared in (1) above was used. Next, a membrane-electrode assembly and an evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell were produced from the membrane produced in Example 1 (1) and the above electrode by the same method as in Example 1 (2). The amount of Pt supported on the produced electrode and the amount of HmSEBmS having an ammonium hydroxide group were both 0.95 mg / cm 2 .

比較例1
水酸化4級アンモニウム基を有するSEBSの作製
SEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレン)ブロック共重合体[(株)クラレ製「セプトン8007」]100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム750mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル160mlと塩化スズ6.74mlを加え、35℃で8時間攪拌した。つぎに、反応溶液を4Lのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したSEBSを得た。クロロメチル化したSEBSのクロロメチル化率は、H−NMR分析からスチレン単位の55.1mol%であった。
次に、実施例1(1)と同様の方法で、アミノ化、イオン交換して水酸化4級アンモニウム基を有するSEBS膜を得た。膜厚は100μmであり、イオン交換容量はH−NMR測定で得られる値から換算して1.31meq/gであった。
Comparative Example 1
Preparation of SEBS having quaternary ammonium hydroxide group 100 g of SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) block copolymer [“Septon 8007” manufactured by Kuraray Co., Ltd.] was placed in a glass reaction vessel equipped with a stirrer. After vacuum drying for 1 hour and then purging with nitrogen, 750 ml of chloroform was added and stirred at 35 ° C. for 2 hours to dissolve. After dissolution, 160 ml of chloromethyl ethyl ether and 6.74 ml of tin chloride were added and stirred at 35 ° C. for 8 hours. Next, the reaction solution was added to 4 L of methanol, and the precipitate was washed and dried to obtain chloromethylated SEBS. The chloromethylation rate of chloromethylated SEBS was 55.1 mol% of styrene units from 1 H-NMR analysis.
Next, a SEBS film having a quaternary ammonium hydroxide group was obtained by amination and ion exchange in the same manner as in Example 1 (1). The film thickness was 100 μm, and the ion exchange capacity was 1.31 meq / g in terms of the value obtained by 1 H-NMR measurement.

実施例及び比較例の高分子膜の固体高分子型燃料電池用イオン伝導性バインダーとしての性能試験
下記1)と2)の試験において実施例1(1)、実施例2(1)及び比較例1で得られた水酸化4級アンモニウム基を有するブロック共重合体膜を試料として使用した。
1)水酸化物イオン伝導度の測定
1cm×4cmの試料を一対の白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度60℃、相対湿度90%に調節した恒温恒湿器内に設置し、交流インピーダンス法により水酸化物イオン伝導度を測定した。
2)酸化安定性試験
60℃に設定した3質量%過酸化水素水溶液に試料を添加し、5時間及び10時間反応させた。ついで、試料を0.5N−NaOHに1時間浸漬した後、蒸留水で十分に洗浄、乾燥し、重量測定及びイオン伝導度測定を行った。
3)燃料電池単セル出力性能評価
実施例1(2)及び実施例2(2)で作製した固体高分子型燃料電池単セルについて、燃料電池出力性能を評価した。燃料には加湿した水素を用い、酸化剤には加湿した酸素を用いた。水素:500cc/min、酸素:500cc/minの条件下、セル温度80℃にて試験した。
Performance Test of Polymer Membranes of Examples and Comparative Examples as Ion Conductive Binders for Solid Polymer Fuel Cells Examples 1 (1), 2 (1) and Comparative Examples in the tests 1) and 2) below The block copolymer film having a quaternary ammonium hydroxide group obtained in 1 was used as a sample.
1) Measurement of hydroxide ion conductivity A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum electrodes and attached to an open cell. The measurement cell was installed in a constant temperature and humidity chamber adjusted to a temperature of 60 ° C. and a relative humidity of 90%, and hydroxide ion conductivity was measured by an AC impedance method.
2) Oxidation stability test A sample was added to a 3 mass% hydrogen peroxide aqueous solution set at 60 ° C and allowed to react for 5 hours and 10 hours. Next, after immersing the sample in 0.5N NaOH for 1 hour, the sample was sufficiently washed with distilled water, dried, and subjected to weight measurement and ion conductivity measurement.
3) Fuel cell single cell output performance evaluation About the polymer electrolyte fuel cell single cell produced in Example 1 (2) and Example 2 (2), the fuel cell output performance was evaluated. Humidified hydrogen was used as the fuel, and humidified oxygen was used as the oxidant. The test was conducted at a cell temperature of 80 ° C. under conditions of hydrogen: 500 cc / min and oxygen: 500 cc / min.

イオン伝導性バインダーとしての性能試験の結果
実施例1(1)、実施例2(1)、及び比較例1で作製した水酸化4級アンモニウム基を有するブロック共重合体について、水酸化物イオン伝導度の測定及び酸化安定性試験を行った結果を表1に示す。表1における実施例1と実施例2の比較により、水酸化4級アンモニウム基の導入率増加に伴い水酸化物イオン伝導度が向上することが明確となった。実施例1と比較例1との比較からは、ポリマー骨格が異なっても同程度の水酸化物イオン伝導度が発現することが明確となった。
また、表1の結果から、本発明のα−メチルスチレン系ブロック共重合体からなる第4級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質は、酸化安定性試験による質量保持率がSEBSからなる第4級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質よりも著しく高いことが明らかとなった。
As a result of the performance test as an ion conductive binder, the block copolymer having a quaternary ammonium hydroxide group produced in Example 1 (1), Example 2 (1), and Comparative Example 1 was subjected to hydroxide ion conduction. Table 1 shows the results of the measurement of the degree and the oxidation stability test. Comparison of Example 1 and Example 2 in Table 1 revealed that the hydroxide ion conductivity was improved with an increase in the introduction rate of quaternary ammonium hydroxide groups. From a comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it was clarified that the same level of hydroxide ion conductivity was exhibited even if the polymer skeleton was different.
In addition, from the results in Table 1, the quaternary ammonium type anion exchange type electrolyte comprising the α-methylstyrene block copolymer of the present invention is quaternary ammonium having a mass retention rate of SEBS in the oxidation stability test. It was found to be significantly higher than the type of anion exchange electrolyte.

Figure 2007194048
Figure 2007194048

実施例1(2)及び実施例2(2)で作製した固体高分子型燃料電池単セルの発電特性として、電流密度に対する電圧の変化を測定した。結果を図1及び図2に示す。
単セルの開放電圧は共に約1.0V、最高出力密度は実施例1では145mW/cm、実施例2では38mW/cmであり、本発明のイオン伝導性バインダーは固体高分子型燃料電池用に使用できることが明確となった。
As the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell single cells produced in Example 1 (2) and Example 2 (2), a change in voltage with respect to current density was measured. The results are shown in FIGS.
Open-circuit voltage of the single cells together about 1.0 V, the maximum power density in Example 1, 145 mW / cm 2, a second embodiment the 38 mW / cm 2, the ion-conducting binder of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell It became clear that it could be used for

固体高分子型燃料電池用単セルの電流密度―出力電圧を示す図である(実施例1(2))。It is a figure which shows the current density-output voltage of the single cell for polymer electrolyte fuel cells (Example 1 (2)). 固体高分子型燃料電池用単セルの電流密度―出力電圧を示す図である(実施例2(2))。It is a figure which shows the current density-output voltage of the single cell for polymer electrolyte fuel cells (Example 2 (2)).

Claims (14)

高分子電解質膜と、この高分子電解質膜に該膜を挟んで接合されている2つのガス拡散電極とからなる、固体高分子型燃料電池用の膜−電極接合体に用いるイオン伝導性バインダーであって、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体を含有し、かつ、重合体ブロック(A)が1価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、及び/又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該イオン伝導性バインダー。 An ion conductive binder used for a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a polymer electrolyte membrane and two gas diffusion electrodes joined to the polymer electrolyte membrane with the membrane interposed therebetween. A block copolymer containing a polymer block (A) having an aromatic vinyl compound unit whose α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit and a flexible polymer block (B) as constituent components And the polymer block (A) has a monovalent anion conductive group, or the polyvalent anion conductive group is bonded in a form of cross-linking the polymer blocks (A), and / or The ion conductive binder in which a polyvalent anion conductive group is bonded in a form of cross-linking aromatic vinyl compound units in the polymer block (A). 重合体ブロック(A)に占めるα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の割合が50質量%以上である請求項1記載のイオン伝導性バインダー。 The ion conductive binder according to claim 1, wherein the proportion of the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon in the polymer block (A) is quaternary carbon is 50% by mass or more. 重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が95:5〜5:95である請求項1又は2に記載のイオン伝導性バインダー。 The ion conductive binder according to claim 1 or 2, wherein the mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is 95: 5 to 5:95. α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位が、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位である請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。 In the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon, the hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a phenyl group. The ion conductive binder according to any one of claims 1 to 3, which is a substituted aromatic vinyl compound unit. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、並びに炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。 The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and carbon. A conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond has been hydrogenated, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and carbon The ion conductive binder according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer block composed of at least one repeating unit selected from the group consisting of conjugated cycloalkadiene units of formula 5-8. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。 The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. The ion conductive binder according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated diene units. α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル化合物単位がα−メチルスチレン単位であり、フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位である請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。 The aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon is an α-methylstyrene unit, and the flexible polymer block (B) is a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and one carbon-carbon double bond. The ion-conductive binder according to any one of claims 1 to 4, which is at least one repeating unit selected from conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms, all or part of which are hydrogenated. アニオン伝導性基が以下に示す(1)〜(13)の基から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜7のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。
Figure 2007194048
(上記式において、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R〜R及びR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、R10はメチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、mは2〜6の整数を表し、nは2又は3を表す)。
The ion conductive binder according to any one of claims 1 to 7, wherein the anion conductive group is at least one selected from the following groups (1) to (13).
Figure 2007194048
(In the above formula, R 1 to R 3 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 4 to R 9 and R 11 each independently represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group. , R 10 represents a methyl group or an ethyl group, X represents a hydroxide ion or an acid anion, m represents an integer of 2 to 6, and n represents 2 or 3.
〜R及びR11がメチル基又はエチル基であり、Xが水酸化物イオンである請求項8記載のイオン伝導性バインダー。 The ion conductive binder according to claim 8, wherein R 1 to R 9 and R 11 are a methyl group or an ethyl group, and X - is a hydroxide ion. 〜R11がメチル基である請求項9記載のイオン伝導性バインダー。 The ion-conductive binder according to claim 9, wherein R 1 to R 11 are methyl groups. ブロック共重合体のイオン交換容量が、0.30meq/g以上である請求項1〜10のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダー。 The ion-conductive binder according to any one of claims 1 to 10, wherein the block copolymer has an ion exchange capacity of 0.30 meq / g or more. 請求項1〜11のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダーを含有する溶液もしくは懸濁液。 The solution or suspension containing the ion conductive binder of any one of Claims 1-11. 請求項1〜11のいずれか1項に記載のイオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体。 The membrane-electrode assembly using the ion-conductive binder of any one of Claims 1-11. 請求項13記載の膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 13.
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